CN103399400B - 一种光学斩波器斩光装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学斩波器斩光装置及其控制方法，装置将一块金属挡光板置于通电的电磁线圈中，金属挡光板上流过的电流方向与电磁线圈产生的磁场方向垂直，挡光板受到电磁力，沿设定的滑槽运动。以设定频率改变流过电磁线圈或者流过挡过板的电流方向，金属挡光板沿滑槽进行往返运动。挡光板设置在通光孔的前后，挡光板的运动可控制入射光是否通过光学斩波器斩光装置，完成对入射辐射的调制。并让挡光板运动时通过光藕的发光二极管与光敏三极管之间，可采集光学斩波器斩光装置调制频率。只需要控制器的一个输出控制就可以完成对辐射调制频率的调节；降低了成本，增加了实用性、灵活性，扩大了其应用范围；提高测量的准确度，减少操作人员的使用难度。

Description

一种光学斩波器斩光装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种光学斩波器，特别涉及一种光学斩波器斩光装置及其控制方法。

背景技术

光学斩波器，也称为斩光器，是一种把连续光源发出的光调制成交变的光信号，便于光电变换后进行选频放大和相干检测的一种仪器。斩光器除了能对被测光进行调制外，同时可输出与调制频率同步的参考电压方波，作为锁定放大器的参考信号，用于采用锁定放大器的激光、光学或微波测量系统，是微弱光信号测量中的必备仪器。

传统的光学斩波器，通常是由电机驱动电路控制电机旋转，带动开有通光孔的斩波片转动，从而完成对入射光的调制。斩光器的调制频率及稳定性能与电机的性能、驱动电路的控制精度以及斩波片的选择都有密切的联系。同时，为了减小斩光器工作过程中的噪声和摇摆，对斩光器固定装置的机械结构还有着很高的要求。斩波片质量较轻时，转动噪声小、摇摆小，但使用过程中容易变形，造成频率漂移，稳定性变差；当选择的斩波片质量较重时，转动噪声及摇摆变大，固定装置的机械结构变的复杂且笨重，由于惯性大，启动及停止速度也会较慢，高速旋转时危险性较高。由此可见，一台稳定性高、噪声小、摇摆小且具有高精度频率输出的斩光器生产难度很大，同时价格高昂。

发明内容

本发明是针对现有的光学斩波器要同时保证稳定性高、噪声小、摇摆小且高精度频率输出很难的问题，提出一种光学斩波器斩光装置及其控制方法，调节和控制简单，提高稳定性和测量的准确度。

本发明的技术方案为：一种光学斩波器斩光装置，包括外壳、电磁线圈、挡光板及光藕固定装置，有带屏蔽层的电磁线圈置于外壳内，电磁线圈中间挡光板及光藕固定装置，挡光板及光藕固定装置上有贯穿前后的通光孔，与外壳上的前通光孔和后通光孔在一水平线上，入射光可通过三个通光孔出射，挡光板及光藕固定装置内有与三个通光孔所成水平线垂直放置的金属挡光板，金属挡光板可在挡光板及光藕固定装置内的移动滑槽来回移动，通电后电磁线圈产生磁场使通电后的金属挡光板受到移动方向的力，控制器输出控制电磁线圈和金属挡光板上的电流方向。

所述挡光板及光藕固定装置还固定有光藕，光藕固定在移动滑槽的一侧，并与金属挡光板垂直，金属挡光板移动位置在光藕中的发光二极管与光敏三极管之间。所述光藕接比较器反相端，电源接可变电阻接比较器正相端，比较器输出与光学斩波器斩光装置调制频率同步的参考电压方波信号。

一种光学斩波器斩光装置控制方法，包括光学斩波器斩光装置，具体包括如下步骤：

1）控制器输出控制信号到金属挡光板和电磁线圈供电电路，金属挡光板上流过的电流方向与电磁线圈通电产生的磁场方向垂直，处在磁场中的金属挡光板受到电磁力，并在电磁力的作用下沿移动滑槽运动，挡住通光孔，入射光无法通过光学斩波器斩光装置；

2）控制器变换输出控制信号，供电电路改变金属挡光板和电磁线圈中任意一个的电流方向，金属挡光板所受电磁力反向，金属挡光板沿移动滑槽反方向运动，离开通光孔位置，入射光通过光学斩波器斩光装置；

3）根据入射光辐射调制频率的要求，调整控制器变换输出控制信号的频率，即电流方向控制电路变化电流方向的频率，金属挡光板来回运动频率，入射光经光学斩波器斩光装置得到所需调制光。

本发明的有益效果在于：本发明光学斩波器斩光装置及其控制方法，本发明挡光板的质量可以做到非常轻，挡光板在内置滑槽内移动时，噪声及摇摆会非常小，同时，由于移动质量小的挡光板所需要的力较小，施加在线圈及挡光板上的电流也可以减小，有助于节约能源。本发明在工作过程中，斩光器启动和停止速度快，安全可靠，稳定性高，控制简单，其输出频率的精准度与驱动脉冲信号有关。因为不再依靠电机带动斩波片转动的方法对入射光进行调制，因此，本发明不再使用电机，不再需要复杂的电机驱动电路，不再需要斩波片，低摇摆也可使得机械固定装置变的简单，从而大大的节约了材料，降低了成本，简化了控制。本发明甚至可以作为某些光学测量仪器的一部分，使通光孔中心与探测器灵敏元中心在同一水平线上，如此以来，该仪器在应用过程中，可省去斩光器与探测器之间的调校工作，提高工作效率和测量的准确度。

附图说明

图1为本发明光学斩波器斩光装置结构示意图；

图2为本发明光学斩波器斩光装置中挡光板及光藕固定装置结构图；

图3为本发明光学斩波器斩光装置中挡光板工作原理示意图；

图4为本发明光学斩波器斩光装置中参考信号产生结构示意图；

图5为本发明光学斩波器斩光装置中参考信号产生电路原理图；

图6为本发明光学斩波器斩光装置中挡光板受力分析示意图；

图7为本发明光学斩波器斩光装置中控制电路原理图。

具体实施方式

本发明提出了一种新的对光信号进行调制的方法，在新的装置中，将一块金属挡光板（导体）置于通电的电磁线圈中，同时，将该挡光板通上电流，挡光板上流过的电流方向与电磁线圈产生的磁场方向垂直，如此以来，处在磁场中的挡光板就会受到电磁力，并在该力的作用下沿设定的滑槽运动。若改变流过电磁线圈的方向或者流过挡过板的电流方向，则挡光板的受力方向刚好与原先的方向相反，并在新的作用力下，沿滑槽向相反方向运运。设置通光孔，使入射光的入射方向垂直于挡光板的运动方向，那么，在挡光板来回运动的过程中，可完成对入射光的调制。调制频率的大小由挡光板移动的频率决定，即由电流方向的变化率决定。在给定的控制方法中，可通过单一脉冲信号完成调节，控制简单。

如图1所示光学斩波器斩光装置结构示意图，机械外壳3前后同一水平线正对有前通光孔2和后通光孔7，机械外壳3内有带屏蔽层的电磁线圈4，电磁线圈4中间为挡光板及光藕固定装置5，如图2所示挡光板及光藕固定装置结构示意图，挡光板及光藕固定装置5内有挡光板移动滑槽8，金属挡光板6装在挡光板移动滑槽8上，可左右移动，与金属挡光板6垂直方向有贯穿挡光板及光藕固定装置的通光孔9，通光孔9与前通光孔2、后通光孔7在一水平线上，入射光1可通过三个通光孔出射。

电磁线圈4，在通电的情况下会产生平行于纸面的水平方向的磁场；同时，金属挡光板6（导体）在通电情况下，会产生平行于纸面的竖直方向的电流，如此以来，该金属挡光板6将会受到垂直于纸面的力，沿着挡光板移动滑槽8（见图2）移动。当流过电磁线圈4的电流方向改变或者流过金属挡光板6的电流方向改变时（两个电流方向不能同时改变），金属挡光板6的受力方向与原受力方向相反，沿着滑槽8向相反方向移动。如图3所示，金属挡光板6的宽度d应该大于或者等于a（图2中滑槽右侧边缘与通光孔左侧边缘之间的距离），并且小于或者等于b(图2中滑槽左侧边缘与通光孔左侧边缘之间的距离)，从而保证当金属挡光板6位于左边时，入射光1可透过通光孔9；当金属挡光板6位于右边时，入射光1被金属挡光板6遮挡；达到通过调整流过电磁线圈4或者金属挡光板6的电流方向来对入射光1进行调制的目的。

当光学斩波器工作时，金属挡光板6要么停留在滑槽8的左边，要么停留在滑槽8的右端，根据此现象，设计的光学斩波器中输出与调制频率同步的参考电压方波的结构示意图及电路原理图分别如图4、图5所示。图4中的光藕10固定在图1中挡光板及光藕固定装置5上，光藕10固定在滑槽8的一侧，并与金属挡光板6垂直。如图5所示，当金属挡光板6在光藕10一侧时，刚好处在光藕10中的发光二极管与光敏三极管之间，光敏三极管接受不到发光二极管发出的光而处于截止状态，比较器U1的反相端为低电平；当金属挡光板6处在和光藕10相对的一侧时，光藕10中的光敏三极管接受发光二极管发出的光而处于导通状态，比较器U1的反相端为高电平。通过调节可变电阻R3的阻值，可以调节U1同相端的输入电压，使得U1输出与调制频率同步的参考电压方波信号。U2、U4、U5为电压跟随器，U3为反相器，P1、P2为与调制频率同步的相位相反的参考电压方波信号，供锁放等仪器使用；P3可为与调制频率同步的参考电压方波信号，可用于频率计计数，通过显示器件实时显示调制频率值。

改变金属挡光板6受力方向的方法有两种，一是保持流过线圈的电流方向不变，即磁场方向不变，改变流过挡光板的电流方向，如图6(a)、6(b)所示，I-电流方向 B-磁场方向 F-受力方向；二是保持流过挡光板的电流方向不变，改变流过线圈的电流方向，即改变穿过挡光板的磁场方向，如图6(c)、6(d)所示；

下面以第一种方法为例进行说明，改变金属挡光板6中电流方向的控制电路原理图如图7所示。脉冲控制端与金属挡光板6电流方向控制端通过光耦进行隔离，避免相互干扰。其中，CTR1为调节调制频率的控制脉冲输入端，当CTR1为高电平时，光藕U1和U2中的光敏三极管上没有光子照射，4号端为高电平，驱动继电器的三极管Q1截止，继电器K1和K2的电磁线圈（4、5号管脚）中没有电流流过，K1和K2的公共端1号脚与2号脚接触，即A端接地（GND），B端接电源（VCC2）。当CTR1为低电平时，光藕U11和U12中的光敏三极管上有光照射，4号端电平拉低，驱动继电器的三极管Q1导通，继电器继电器K1和K2的电磁线圈中有电流流过，产生的电磁力使K1和K2中的1号脚与3号脚接触，即A接电源，B接地。

将A、B分别与图1中金属挡光板6两端相连（A连接挡光板下端引线，B连接金属挡光板6上端引线），则当CTR1为高电平时，流过金属挡光板6中的电流方向为从下到上，如图6(a)所示，此时金属挡光板6的受力方向为垂直纸面向外，金属挡光板6向图2所示的右边移动，挡住通光孔。当CTR1为低电平时，流过金属挡光板6中的电流方向为从上到下，如图6(b)所示，此时金属挡光板6的受力方向为垂直纸面向里，金属挡光板6向图2所示的左边移动， 入射光可以从通光孔内通过。

综上所述，通过改变控制脉冲CTR1的信号频率就可以调节入射光的调制频率。

Claims (3)

1.一种光学斩波器斩光装置，其特征在于，包括外壳（3）、电磁线圈（4）、挡光板及光耦固定装置（5），有带屏蔽层的电磁线圈（4）置于外壳（3）内，电磁线圈（4）中间有挡光板及光耦固定装置（5），挡光板及光耦固定装置（5）上有贯穿前后的通光孔（9），与外壳（3）上的前通光孔（2）和后通光孔（7）在一水平线上，入射光（1）可通过三个通光孔出射，挡光板及光耦固定装置（5）内有与三个通光孔所成水平线垂直放置的金属挡光板（6），金属挡光板（6）可在挡光板及光耦固定装置（5）内的移动滑槽（8）来回移动，通电后电磁线圈（4）产生磁场使通电后的金属挡光板（6）受到移动方向的力，控制器输出控制电磁线圈（4）和金属挡光板（6）上的电流方向，所述挡光板及光耦固定装置（5）还固定有光耦（10），光耦（10）固定在移动滑槽（8）的一侧，并与金属挡光板（6）垂直，金属挡光板（6）移动位置在光耦（10）中的发光二极管与光敏三极管之间。

2.根据权利要求1所述光学斩波器斩光装置，其特征在于，所述光耦（10）接比较器反相端，电源接可变电阻接比较器正相端，比较器输出与光学斩波器斩光装置调制频率同步的参考电压方波信号。

3.权利要求1或2所述光学斩波器斩光装置的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）控制器输出控制信号到金属挡光板（6）和电磁线圈（4）供电电路，金属挡光板（6）上流过的电流方向与电磁线圈（4）通电产生的磁场方向垂直，处在磁场中的金属挡光板（6）受到电磁力，并在电磁力的作用下沿移动滑槽（8）运动，挡住通光孔（9），入射光无法通过光学斩波器斩光装置；

2）控制器变换输出控制信号，供电电路改变金属挡光板（6）和电磁线圈（4）中任意一个的电流方向，金属挡光板（6）所受电磁力反向，金属挡光板（6）沿移动滑槽（8）反方向运动，离开通光孔（9）位置，入射光通过光学斩波器斩光装置；

3）根据入射光辐射调制频率的要求，调整控制器变换输出控制信号的频率，即电流方向控制电路变化电流方向的频率，金属挡光板（6）来回运动频率，入射光经光学斩波器斩光装置得到所需调制光。